A fusão nuclear atingiu um marco graças às melhores paredes do reator

Cientistas de um laboratório na Inglaterra quebraram o recorde de quantidade de energia produzida durante uma reação de fusão controlada e sustentada. A produção de 59 megajoules de energia em cinco segundos no experimento Joint European Torus (JET) na Inglaterra foi chamado de “um avanço” por alguns meios de comunicação e causou muita excitação entre os físicos. Mas uma linha comum em relação produção de eletricidade de fusão é que é “sempre a 20 anos de distância. "

Somos uma físico nuclear e de um engenheiro nuclear que estudam como desenvolver a fusão nuclear controlada com a finalidade de gerar eletricidade.

O resultado do JET demonstra avanços notáveis ​​na compreensão da física da fusão. Mas, igualmente importante, mostra que os novos materiais utilizados para construir as paredes internas do reator de fusão funcionaram conforme planejado. O fato de a construção da nova parede ter tido um desempenho tão bom é o que separa esses resultados dos marcos anteriores e eleva a fusão magnética de um sonho em direção a uma realidade.

Fundindo Partículas

A fusão nuclear é a fusão de dois núcleos atômicos em um núcleo composto. Este núcleo então se quebra e libera energia na forma de novos átomos e partículas que se afastam rapidamente da reação. Uma usina de fusão capturaria as partículas que escapam e usaria sua energia para gerar eletricidade.

Existem alguns diferentes maneiras de controlar com segurança a fusão na Terra. Nossa pesquisa se concentra na abordagem adotada pelo JET: usar campos magnéticos poderosos para confinar átomos até que sejam aquecidos a uma temperatura alta o suficiente para se fundirem.

O combustível para os reatores atuais e futuros são dois isótopos diferentes de hidrogênio – o que significa que eles têm um próton, mas números diferentes de nêutrons – chamados deutério e trítio. O hidrogênio normal tem um próton e nenhum nêutron em seu núcleo. O deutério tem um próton e um nêutron, enquanto o trítio tem um próton e dois nêutrons.

Para que uma reação de fusão seja bem-sucedida, os átomos do combustível devem primeiro ficar tão quentes que os elétrons se libertem dos núcleos. Isso cria plasma – uma coleção de íons e elétrons positivos. Em seguida, você precisa continuar aquecendo o plasma até atingir uma temperatura superior a 200 milhões de graus Celsius (100 milhões de graus Fahrenheit). Este plasma deve ser mantido num espaço confinado em altas densidades por um período de tempo suficientemente longo para que o átomos de combustível colidam uns com os outros e se fundem.

Para controlar a fusão na Terra, os pesquisadores desenvolveram dispositivos em forma de donut –chamados tokamaks —que usam campos magnéticos para conter o plasma. As linhas do campo magnético que envolvem o interior do donut agem como trilhos de trem que os íons e elétrons seguem. Ao injetar energia no plasma e aquecê-lo, é possível acelerar as partículas de combustível a velocidades tão altas que, quando colidem, em vez de ricochetearem entre si, os núcleos de combustível se fundem. Quando isso acontece, eles liberam energia, principalmente na forma de nêutrons em movimento rápido.

Durante o processo de fusão, as partículas de combustível se afastam gradualmente do núcleo quente e denso e eventualmente colidem com a parede interna do recipiente de fusão. Para evitar que as paredes se degradem devido a estas colisões – que por sua vez também contaminam o combustível de fusão – os reactores são construídos de modo a canalizar as partículas rebeldes para uma câmara fortemente blindada chamada divertor. Isso bombeia as partículas desviadas e remove qualquer excesso de calor para proteger o tokamak.

As paredes são importantes

Uma grande limitação dos reatores anteriores tem sido o fato de que os desviadores não conseguem sobreviver ao constante bombardeio de partículas por mais do que alguns segundos. Para que a energia de fusão funcione comercialmente, os engenheiros precisam construir um navio tokamak que sobreviva por anos de uso nas condições necessárias para a fusão.

A parede divertora é a primeira consideração. Embora as partículas de combustível estejam muito mais frias quando chegam ao divertor, elas ainda têm energia suficiente para soltar átomos do material da parede do divertor quando eles colidirem com ele. Anteriormente, o divertor do JET tinha uma parede feita de grafite, mas o grafite absorve e retém muito combustível para uso prático.

Por volta de 2011, os engenheiros da JET atualizaram o divertor e as paredes internas do navio para tungstênio. O tungstênio foi escolhido em parte porque tem o ponto de fusão mais alto de qualquer metal – uma característica extremamente importante quando o divertor provavelmente sofrerá cargas de calor quase 10 vezes maior que o nariz de um ônibus espacial reentrando na atmosfera da Terra. A parede interna do vaso do tokamak foi atualizada de grafite para berílio. O berílio tem excelentes propriedades térmicas e mecânicas para um reator de fusão – absorve menos combustível que o grafite, mas ainda pode suportar altas temperaturas.

A energia produzida pelo JET foi o que ganhou as manchetes, mas argumentamos que é na verdade o uso dos novos materiais de parede que tornam o experimento verdadeiramente impressionante, porque os dispositivos futuros precisarão dessas paredes mais robustas para operar em alta potência por períodos ainda mais longos. de tempo. JET é uma prova de conceito bem-sucedida de como construir a próxima geração de reatores de fusão.

Os próximos reatores de fusão

O tokamak JET é o maior e mais avançado reator de fusão magnética em operação atualmente. Mas a próxima geração de reatores já está em obras, principalmente a experiência ITER, previsto para iniciar operações em 2027. ITER, que significa “o caminho” em latim, é em construção na França e financiado e dirigido por uma organização internacional que inclui os EUA.

O ITER irá utilizar muitos dos avanços materiais que o JET demonstrou serem viáveis. Mas também existem algumas diferenças importantes. Primeiro, o ITER é enorme. A câmara de fusão é 37 pés (11.4 metros) de altura e 63 pés (19.4 metros) de diâmetro, mais de oito vezes maior que o JET. Além disso, o ITER utilizará ímanes supercondutores capazes de produzir campos magnéticos mais fortes por longos períodos de tempo em comparação com os ímãs do JET. Com estas atualizações, espera-se que o ITER destrua os recordes de fusão do JET, tanto em termos de produção de energia como de duração da reação.

Espera-se também que o ITER faça algo central para a ideia de uma central eléctrica de fusão: produzir mais energia do que a necessária para aquecer o combustível. Os modelos prevêem que o ITER produzirá cerca de 500 megawatts de energia continuamente durante 400 segundos, consumindo apenas 50 MW de energia para aquecer o combustível. Isto significa que o reator produziu 10 vezes mais energia do que consumiu—uma enorme melhoria em relação ao JET, que exigia cerca de três vezes mais energia para aquecer o combustível do que produziu pela sua recente Recorde de 59 megajoules.

O registo recente do JET mostrou que anos de investigação em física de plasma e ciência de materiais valeram a pena e levaram os cientistas à porta do aproveitamento da fusão para a geração de energia. O ITER proporcionará um enorme salto em direcção ao objectivo das centrais eléctricas de fusão à escala industrial.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: Rswilcox/Wikimedia Commons

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• Fonte: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/